本設計是一種基于單片機(89C51)的高精度電阻電感電容測量儀器的設計.本設計采用MAX038單片壓控函數發生器產生高精度的正弦波信號流經待測的電容或者電感和標準電阻的串連電路,利用電壓比例計算的方法推算出電容值或者電感值,利用51單片機控制測量和計算結果,采用1602液晶模塊實時顯示數值,可以手動調節量程,正弦信號發生器可以實現幅值和頻率的調整,為了提高精度,我們把被測的交流電壓先通過ICL7650來消除因為AD637輸入電阻較低產生的誤差.

實驗測試結果表明,本設計性能穩定,測量精度高.

1 引言

現代電子產品正以前所未有的速度,向著多功能化、體積最小化、功耗最低化的方向發展,機電產品廣泛應用于家電、通信、一般工業乃至航空航天和軍事領域.無論是日常生活還是高端科技領域,電子技術的應用均日益深入.掌握必備的電子技術基礎設計制作基礎知識和基本技能,能夠滿足我國目前產業結構對廣大技術工人、工程技術人員基本素質的要求,而且能為從事高端電子系統開發培養能力和素質,適應信息時代的需要.

目前市面上測量電子元器件參數R、C和L的儀表種類較多,方法和優缺點也各有不同.一般的測量方法都存在計算復雜,不易實現自動測量而且很難實現智能化等缺點.

電阻電容電感測量方法較多(諧振法,電橋法,電壓比例法等)但因為對于測量儀器來說精度越高越好,所以本設計選擇精度比較高的電壓比較法做電阻電感電容測試儀,它的原理是將一定頻率的交流信號經過串聯分壓電路轉化為電壓信號,然后經過電路處理變成頻率信號經過單片機進行比例運算,最后將計算出的測量值輸送給顯示模塊并顯示各參量對應的量綱.

2電壓比例法測量原理

電阻高精度測量較好的方法之一是采用與標準電阻相比較的方法.其主要原理:是在待測電阻與標準電阻的串聯電路中加一直流電壓V,AD采樣得到Rx上電壓,則測量電阻為:

                             2-1

設計中我們采用了與測量電阻一樣的方法——電壓比例法[1-2]來測量電感和電容;因為電感與電容是電抗元件,所以應采用交流信號來產生測量信號;在角頻率為的交流信號的作用下電容電感獲得的容抗和感抗:

                             2-2

                              2-3

C、L為待測電容和電感.這樣一來,標準元件的選擇就有許多種方法.但為了提高測量精度和降低成本,該測量儀采用了標準電阻,且與電阻測量共用一套標準電阻.所以有電感:

                      2-4

                       2-5

電容:

                          2-6

測量Q值時,加入交流信號測量出電感Q值

                             2-7

                             2-8

兩個方程聯立,求得電感

                               2-9

                       2-10

                                    2-11

為電感在電路中角頻率為的等效阻抗,為電感在電路中角頻率為的等效阻抗,L為電感量,為電感的等效電阻.

為保證測量精度,必須保證電阻的精度和的高穩定值.為此,我們在該設計中采用MAX038單片壓控函數發生器[3-4]產生高精度的正弦波信號,同時輸出緩沖器采用了運算放大器,為保證波形精度采用了閉環深度負反饋方式,無失真的放大正弦信號.

3.系統方案

3.1系統總體方案設計與結構框圖

圖3.1  設計框圖

本電路由電源模塊、正弦信號發生器、標準電阻和電感或電容串聯分壓電路、多路開關、電壓跟隨器、高精度交流/有效值轉換、A/D轉換、單片機、液晶顯示、鍵盤等模塊組成.系統主要模塊流程圖如圖3.1所示:

圖1系統流程圖

3.2方案設計與論證

3.2.1電阻電感電容測試采樣模塊

電阻電感電容測試采樣模塊的設計方案有很多,例如利用純模擬電路來實現、電阻可用比例運算器法、電容可用恒流法和比較法、電感可用時間常數法和同步分離法等.

方案一 利用純模擬電路

雖然避免了編程的麻煩,但是電路復雜,所用的元器件較多,制作較麻煩并且測量精度低,調試困難,現已很少使用.

方案二 可編程序控制器(PLC）

應用廣泛,它能夠非常方便的集成到工業控制系統中.可編程控制器速度快,體積小,可靠性和精度都比較好,在此系統中可以使用PLC對硬件進行控制,但是PLC的價格相當昂貴,因而成本過高,應用于要求比較高的場合.

方案三 利用震蕩電路與單片機結合

利用555多諧振蕩電路將電阻、電容轉化為頻率,而電感則是根據電容三點式電路也轉化為頻率,這樣就把模擬量近似轉化為數字量了,而頻率是單片機很容易處理的數字量,該方案測量精度較高,易于實現儀表的自動化,而且單片機構成的系統可靠性高,硬件的描述完全可用軟件來實現,成本低.但由于必須采用大量地倍頻、分頻、混頻和濾波環節,導致結構復雜、體積大、成本高并且難以達到較高的頻譜純度而使測量誤差加大,外圍電路非常復雜.且不符合需要一個獨立信號發生器的要求.

方案四 電壓比例法

采用與標準電阻相比較的的方法,其原理是在待測原件與標準原件的串聯電路中加以電流I，這樣被測元件與標準元件上得到的電壓分別為Vx與Vi;通過計算得出被測值,此方法精度高,需要一個具有輸出頻率穩定的信號源來提供激勵.本設計采用此方案.

3.2.2正弦信號發生器模塊

正弦信號源發生器模塊是決定系統誤差的重要部分,要求有穩定的頻率,另外為了測試系統的可靠性還要求正弦信號發生器的頻率和電壓具有可調性,本系統要求頻率范圍1HZ～1MHZ,電壓大于5V.

方案一 555信號發生器

采用555信號發生器制作的發生器,其外圍電路較復雜.

這種方法能實現快速頻率變換,具有低噪聲以及所有方法中最高的工作頻率.但由于必須采用大量地倍頻、分頻、混頻和濾波環節,導致結構復雜、體積大、成本高并且難以達到較高的頻譜純度而使測量誤差加大.

方案二 單片機信號發生器[5]

使用單片機編程實現正弦波的產生簡單易行.可以在外圍電路不變的情況下通過程序來改變輸出電壓的幅值和頻率.由于輸出的是數字信號,可以做得很高,產生的信號精度及其性價比比較高,集成度也高并且需求電壓低,功耗低.

方案三 DDS信號發生器[6]

利用直接合成DDS芯片的函數發生器,能產生任意波形并能達到很高的頻率并且頻率的穩定性比較好.但成本較高,主要用于測量電路和系統的頻率特性、非線性失真、增益與靈敏度等.按不同的性能與用途分為低頻信號發生器、高頻信號發生器、頻率合成式信號發生器等.

方案三 DDS信號發生器MAX038是MAXIM公司生產的一個只需要很少外部元件的精密高頻波形產生器，他能產生準確的高頻正弦波、三角波、方波。輸出頻率和占空比可以通過調整電流、電壓或電阻來分別地控制.MAX038引腳排列如圖3.2所示.

圖3.2MAX038引腳排列

所需的輸出波形可由地址A0和A1的輸入數據進行設置，如表3.1所示。波形切換可通過程序控制在任意時刻進行，而不必考慮輸出信號當時的相位.其中X表示任意狀態，1為高電平,0為低電平.

表3.1 輸出波形控制

采用MAX038單片壓控函數信號發生器產生正弦波,改變外接電阻或電容值就可改變輸出頻率的值,其頻率范圍從0.1Hz到20MHz,最高可達40MHz,輸出頻率穩定.各種波形的輸出幅度均為2V,幅值經過一個放大器就可以調節.占空比的調節范圍寬,占空比和頻率均可進行單獨調節,互不影響.占空比最大調節范圍10％～90％.波形失真小.正弦波失真度小于0.75％.因為不用編程可以節省較多的時間.本設計采用此方案.

3.2.3顯示模塊

方案一 采用LED數碼管顯示.數碼管顯示具有亮度高、夜視效果好等優點,但顯示信息量小,且自身功耗較大.

方案二 LCD液晶顯示器[7]可輕松實現字母、漢字的顯示,控制簡單,能耗小,可以中文輸出便于人際交流顯示內容豐富.所以本設計采用此方案.

4 硬件電路

4.1穩壓電源模塊

圖4.1穩壓電源

4.2正弦信號發生器

該電路的核心器件為MAX038,具有輸出頻率范圍寬、波形穩定、失真小、使用方便等特點.

圖4.2正弦信號發生器

4.3采樣電路

ICL7650是斬波穩零式高精度運算放大器[8],它具有輸入偏置電流小、失調小、增益高、共模抑制能力強、響應快、漂移低、性能穩定及價格低廉等優點.

ICL7650采用14腳雙列直插式和8腳金屬殼兩種封裝形式,圖4.3所示是最常用的14腳雙列直插式封裝的引腳排列圖.

圖4.3  ICL7650引腳排列圖

ICL7650的工作原理如圖4.4所示

圖4.4  ICL7650的工作原理

如圖4.5所示,高精度的正弦波信號流過串聯的標準電阻和待測元件,待測元件一端接地.儀器通過繼電器轉換分別從標準電阻的兩端測量電壓.由于AD637的輸入電阻較低,為了降低其分壓產生的誤差,被測的交流電壓先通過精密運算放大器ICL7650構成的電壓跟隨器,然后才通過高精度交流/有效值轉換芯片AD637[9]轉換成有效值,進過ADC轉換成數字信號,在單片機中完成比例運算,得到電容電感數值.測量不同數值電感電容時,可以選擇相應的標準電阻和改變MAX038輸出信號的頻率來分壓,這通過單片機控制繼電器切換電路和編程來實現.

圖4.5  采樣電路

4.4液晶顯示模塊

本設計采用常用的2行16個字的1602液晶顯示器來顯示電阻電感電容值.圖8是1602液晶模塊與51單片機的連接圖.

圖4.61602液晶模塊與51單片機的連接圖

單片機的P1口與1602液晶模塊的數據口連接傳輸數據,P2口分別控制RS、RW和使能端E.RS為寄存器選擇,高電平時選擇數據寄存器,低電平時選擇指令寄存器.RW為讀寫信號線,高電平時進行讀操作,低電平時進行寫操作.當RW和RS同時為低時,可以寫入指令或顯示地址;當RS為低,RW為高時,可以讀忙信號;當RS為高RW為低時,可以寫入數據.E端為使能端,當E端有高電平跳變到低電平時,液晶模塊執行命令.D0-D7為8位雙向數據線.V0為液晶顯示器對比度調節端,接正電源時對比度弱,接地是對比度高,使用時要通過一個10KΩ的電位器調整對比度.

5系統軟件設計

5.1控制測量程序模塊

單片機控制測量程序不僅擔負著量程的識別與轉換,而且還負責數據的修正和傳輸;因此主控制器的工作狀態直接決定著整個測量系統能否正常工作,所以控制測量程序對整個測量來說至關重要.控制測量流程圖如圖5.1所示.

5.2 按鍵處理程序模塊

按鍵處理程序的主要功能是設置測量的類型和測量的檔位,當有按鍵被按下時就執行相應的按鍵功能,流程如圖5.2所示.

圖5.2  按鍵處理程序流程圖

5.3電阻電感電容計算程序

單片機根據A/D 轉換得到的電壓值計算出電阻、電感或者電容值,該程序流程圖如圖5.3所示.

圖5.3電阻電感電容計算程序流程圖

5.4液晶顯示程序模塊

該程序模塊只有一個功能,就是對測量結果清晰正確的顯示出來,并能夠保持穩定.程序流程圖如圖5.4所示.

圖5.4  液晶顯示程序模塊流程圖

6  系統測試與結果分析

測試儀器:雙蹤示波器和數字萬用表.

6.1對正弦信號源的測試

我們使用示波器對信號源進行測試,發現波形和頻率顯示平穩,并得到了一些數據.由測量數據經我們分析計算得出此信號發生器輸出電壓幅值大于等于5∨,并且大小可以調節.自制信號源的測試結果如表6.1所示.

表6.1自制信號源測試結果

6.2對電阻電容電感的測量

我們對于各種性質的元件(電阻電容電感)分別找了足夠量的元件;用高精度數字萬用表測量出其阻值(容值或感值）取多個相同電阻的平均值作為參考量;然后用我們自制的儀表進行測量,測量多個阻值不同的電阻,算出其誤差,最后求平均誤差.電容和電感的測量同理.

表6.2電阻測試結果

續表6.2

表6.3  電容測試結果

表6.4  電感測試結果

6.3誤差分析

本測量儀的測量范圍較寬,并且達到了很好的精度,

信號源測試結果分析:由于示波器精度所限,頻率低于10Hz示波器無法識別信號.經計算自制信號源最大相對誤差為0.4%,我們的信號源范圍更寬.

電阻測試結果分析:測量電阻阻值誤差較小,最大誤差為2%,用16位AD采樣直流分壓信號極為精確.

電容測試結果分析:電容測試最大誤差為3%.

電感測試結果分析:電感測試最大誤差小于4%.

在實際測量中,由于測試環境,測試儀器,測試方法等都對測試值有一定的影響,都會導致測量結果或多或少地偏離被測量的真值,為了減小本設計中誤差的大小,主要利用修正[15]的方法來減小本測試儀的測量誤差.所謂修正的方法就是在測量前或測量過程中,求取某類系統誤差的修正值.在測量的數據處理過程中選取合適的修正值很關鍵,修正值的獲得有三種途徑.第一種途徑是從相關資料中查取;第二種途徑是通過理論推導求取;第三種途徑是通過實驗求取.本測試修正值選取主要通過實驗求取,對影響測量讀數的各種影響因素,如溫度,電源電壓等變化引起的系統誤差.通過對相同被測參數的多次測量結果和不同被測參數的多次測量選取平均值,最后確定被測參數公式的常數K值,從而達到減小本設計系統誤差的目的.由于振蕩電路外圍器件由電容電阻分立元件搭接而成,所以由振蕩電路產生的被測參數對應的頻率有一定的誤差,所以只能通過多次實驗測量,選取合適的修正值來盡可能的減少本測試系統的誤差.

7 總結

畢業論文是一次非常好的將理論與實際相結合的機會,通過對電阻、電容、電感測試儀的課題設計,鍛煉了我的實際動手能力,增強了我解決實際工程問題的能力,同時也提高我查閱文獻資料、設計規范以及電腦制圖等其他專業能力水平.

本設計的硬件電路圖簡單,成本低;采用單片機可以提高系統的可靠性和穩定性,縮小系統體積,調試與維護方便,而且以51單片機最小系統為核心的控制系統能滿足整個系統的要求,經過測試系統工作正常,完成了設計任務的全部要求.

當然本系統還存在著許多需要改進的地方,比如還可以繼續提高測量的精度和加大測量的范圍.因為是采用單片機實現的,利用其可以編程的特性,使測量的值結合一些數據處理方式使測量更加接近真實值.

本系統也還有許多可以擴展的功能,可以增加語音功能,每次測量值穩定的時候就通過語音報告出來;也可以增加在線測量的功能,這樣就更能夠測量出元件工作時的正常值,而不僅僅是靜態時的值.

致謝

本文是作者在臨沂大學大學理學院做畢業設計期間學習的總結,是在導師劉懷強老師指導下完成的.

在這幾個月畢業設計的學習和工作中,導師的精心指導和培養使我在各個方面都受益非淺.在分析問題、解決問題及獨立工作的能力有了很大的提高.此前在做本設計時,李巖老師提出了很多有益的建議并給予我很大幫助.在此謹向李巖老師表示衷心的感謝.

在理學院這個學習氛圍活躍、團結友愛的集體里,大家互相幫助,彼此討論問題,共同提高.在此也要感謝我的各位同學,有了大家的支持和幫助使得論文研究工作得以順利的進行.

最后,再次向劉懷強老師以及幫助過我的同學們表示最真誠的謝意！